Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao tt

ii
MỤC LỤC
Trang
Danh sách những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài và đơn vị phối hợp ..... i
Mục lục ........ ............................................................................................................. ii
Danh mục bảng biểu ................................................................................................iii
Danh mục hình ảnh .................................................................................................. iv
Danh mục ký hiệu, từ và chữ viết tắt ...................................................................... v
Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Việt ...................................................... vi
Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Anh.....................................................vii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu ................................................................. 1
2. Những đóng góp khoa học của đề tài ................................................................. 1
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài............................................................ 3
Chương 1: MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, CÁCH TIẾP CẬN VÀ
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................................................................... 3
1. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................. 3
2. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu .................................................. 3
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................................ 3
Chương 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ........................................................... 5
2.1. Những đặc trưng của bê tông bột hoạt tính ..................................................... 5
2.2. Xi măng Porland ................................................................................................ 6
2.3. Sự thủy hóa xi măng và phát triển vi cấu trúc trong quá trình thủy hóa ...... 6
2.4. Muội silic ............................................................................................................ 7
Chương 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỬ ............................................ 8
3.1. Vật liệu................................................................................................................ 8
3.2. Lựa chọn cầp phối nghiên cứu ......................................................................... 8
3.3. Phương pháp thử................................................................................................ 8
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT

Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


ii
Chương 4: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO QUÁ TRÌNH THỦY HÓA XI
MĂNG ....................................................................................................................... 9
4.1. Mô hình động học cho quá trình thủy hóa mỗi thành phần khoáng
trong xi măng............................................................................................................. 9
4.2. Mô hình động học cho quá trình thủy hóa của hỗn hợp xi măng
và muội silic.............................................................................................................10
4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa ..............................................11
4.4. Mô hình sự phát triển nhiệt và tốc độ phát triển nhiệt của quá trình
thủy hóa ....................................................................................................................11
4.5. Mô hình phát triển thể tích các pha trong hồ kết dính trong suốt
quá trình thủy hóa....................................................................................................12
4.6. Các tham số động học của quá trình thủy hóa hỗn hợp chất kết dính........12
Chương 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..........................................................15
5.1. Tốc độ thủy hóa và bậc thủy hóa ...................................................................15
5.2. Sự phát triển nhiệt và tốc độ phát triển nhiệt thủy hóa ................................15
5.3. Sự phát triển vi cấu trúc trong bê tông trong quá trình thủy hóa ................16
5.4. Lỗ rỗng tổng cộng và độ rỗng tổng cộng của hồ kết dính ...........................16
5.5. Lỗ rỗng thủy hóa và co ngót hóa học ............................................................18
5.6. Cường độ nén của bê tông ..............................................................................21
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................24
6.1. Kết luận.............................................................................................................24
6.2. Kiến nghị ..........................................................................................................25

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao

iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.1. Điển hình thành phần của bê tông bột hoạt tính ................................... 5
Bảng 3.1. Các đặc trưng của các cấp phối .............................................................. 8
Bảng 5.1. Kết quả thử cường độ nén trên các mẫu bê tông................................15

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Trang
Hình 4.1. Sơ đồ mô tả các giai đoạn của quá trình thủy hóa một thành phần pha
khoáng xi măng ......................................................................................................... 9
Hình 4.2. Sơ đồ mô tả thể tích các thành phần trong một đơn vị thể tích .........14
Hình 5.1. Sự phát triển bậc thủy hóa (Trường hợp B4: E/C=0.11 ; FS/C=0.2)15
Hình 5.2. Sự phát triển tốc độ trình thủy hóa (Trường hợp B4:E/C=0.11;
FS/C=0.2).................................................................................................................16
Hình 5.3. Bậc thủy hóa và tốc độ thủy hóa: so sánh giữa mô hình và thực nghiệm
(trường hợp B4: E/C=0.11 ; FS/C=0.2) ................................................................17
Hình 5.4. Sự phát triển nhiệt và tốc độ phát triển nhiệt thủy hóa: so sánh giữa
thực nghiệm và mô hình (trường hợp B4: E/C=0.11 ; FS/C=0.2) .....................18
Hình 5.5. Ảnh hưởng hàm lượng muội silic đến sự phát triển nhiệt thủy hóa .19
Hình 5.6. Ảnh hưởng hàm lượng muội silic đến tốc độ phát triển nhiệt...........19
Hình 5.7. Sự phát triển các thành phần pha trong hồ kết dính theo hàm bậc thủy
hóa của xi măng (trường hợp B4: E/C=0.11 ; FS/C=0.2). .................................20
Hình 5.8. Sự phát triển độ rỗng tổng cộng theo thời gian của các mẫu bê tông21

Hình 5.9. Sự phát triển cường độ nén bê tông theo theo hàm SF/C ..................22
Hình 5.10. Quan hệ ứng suất và thời gian khi thử các mẫu bê tông (trường hợp
B4) ............................................................................................................................23

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


v
MỘT SỐ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt bằng tiếng Việt
BT
: Bê tông
BTCT
: Bê tông cốt thép
BTCLC
: Bê tông chất lượng cao
BTCS
: Bê tông cốt sợi
BTHM
: Bê tông hạt mịn
BTXM
: Bê tông xi măng
C
: Xi măng
FS
: Muội silic
SB
: Cát mịn
QB

: Bột đá
SP
: Phụ gia dẻo
E
: Nước
TCVN
: Tiêu chuẩn Việt Nam
Chữ viết tắt bằng tiếng Anh
ASTM
: American society of testing materials
AASHTO
ACI
CH
C-S-H

: American Association of State Highway and
Transportation Officials
: American concrete institute
: Hyđrôxít canxi
: Hyđrô silicát canxi

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


vi
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông
cường độ cao

- Mã số: B2016-DNA-30-TT
- Chủ nhiệm đề tài: TS. Bạch Quốc Sĩ.
- Tổ chức chủ trì: Đại học Đà Nẵng.
- Thời gian thực hiện: từ 12/2016 đến 10 /2018.
2. Mục tiêu:
Nghiên cứu khả năng sử dụng muội silic trong việc chế tạo bê tông
cường độ cao.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Nghiên cứu được triển khai trên bê tông chất lượng siêu cao.
- Đánh giá một cách định lượng sự phát triển vi cấu trúc trong bê tông.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng muội silic trong việc thay thế
một phần xi măng đến các tính chất của bê tông chất lượng siêu cao bao
gồm cường độ nén, nhiệt phát triển và co ngót.
- Phân tích sự phát triển vi cấu trúc trong hồ kết dính theo thời gian và
ảnh hưởng của chúng đến các tính chất bê tông.
5. Sản phẩm:
5.1. Sản phẩm khoa học:
Các bài báo công bố:
1. Bạch Quốc Sĩ (2017), "Chemical Shrinkage Characteristics of Binder
Pastes in Ultra High Performance Concrete Made from Different Types of
Cement", CIGOS-2017 (Congrès International de Géotechnique - Ouvrages
– Structures, 2017) on "New Challenges in Civil Engineering", pp. 354 366, ISBN: 978-981-10-6712-9, Springer.
2. Bạch Quốc Sĩ (2018), "Investigation of blended cement hydration in
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


vi
the Reactive Powder Concrete with increasing levels of silica fume

addition", MMMS-2018 (International Conference on Material, Machines
and Methods for Sustainable Development) on "Research development in
industrial material, machining and methods towards sustainability", pp. 642
- 650, ISBN: 978-604-95-0502-7, Nhà xuất bản Bách Khoa, Hà Nội.
3. Bạch Quốc Sĩ (2018), "Quantitative study of hydration of C3S and
C2S in the Reactive Powder Concrete together with its strength
development", MMMS-2018 (International Conference on Material,
Machines and Methods for Sustainable Development) on "Research
development in industrial material, machining and methods towards
sustainability", pp. 651 - 660, ISBN: 978-604-95-0502-7, Nhà xuất bản
Bách Khoa, Hà Nội.
4. Bạch Quốc Sĩ (2018), "Ảnh hưởng hàm lượng muội silic đến cường
độ nén của bê tông chất lượng siêu cao", Tạp chí Xây dựng Việt Nam - Bộ
Xây dựng, Số: 11-2017; pp 116-121, ISBN: 0866-8762.
5.2. Sản phẩm đào tạo:
Hỗ trợ đào tạo thạc sĩ:
Nguyễn Văn Lợi (2018), Nghiên cứu đánh giá độ bền của bê tông cường
độ cao sử dụng muội silic trong các kết cấu nhịp cầu, Luận văn thạc sĩ Công
nghệ vật liệu xây dựng, Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội.
5.3. Sản phẩm ứng dụng
1. Chế tạo thành công mẫu bê tông có cường độ nén đạt trên 150 MPa.
2. Phần mềm thủy hóa chất kết dính (bao gồm xi măng và muội silic).
3. Kết quả đo đạc thực nghiệm các tính chất bê tông về cường độ nén,
nhiệt thủy hóa và co ngót hóa học.
6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang
lại của kết quả nghiên cứu:
Đề tài được sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các sinh viên và
giảng viên ở các trường Đại học chuyên ngành xây dựng; đang học chuyên
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao

vii
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
- Project title: Study of High Strength Concrete using silica fume
- Code number: B2016-DNA-30-TT
- Coordinator: Dr. Bạch Quốc Sĩ
- Implementing institution: The University of Danang
- Duration: from 12/2016 to 10/2018
2. Objective:
The research work focuses on the production of Ultra High Performance
Concrete (UHPC) with the using silica fume.
3. Creativeness and innovativeness:
1. The research was carried out on Ultra High Performance Concrete.
2. Evaluate quantitatively the microstructure development in concrete.
4. Research results:
- Evaluate the effect of silica fume content in the substitution of cement
to the properties of UHPC including compressive strength, cumulative heat
development, and chemical shrinkage.
- Analyze the microstructure development in the binder paste by time
and their effects on concrete properties.
5. Products:
5.1. Scientific publications
There are 04 published papers:
1. Bach Quoc Si (2017), "Chemical Shrinkage Characteristics of Binder
Pastes in Ultra High Performance Concrete Made from Different Types of
Cement", CIGOS-2017 (Congrès International de Géotechnique - Ouvrages
– Structures, 2017) on "New Challenges in Civil Engineering", pp. 354 366, ISBN: 978-981-10-6712-9, Springer.

2. Bach Quoc Si (2018), "Investigation of blended cement hydration in
the Reactive Powder Concrete with increasing levels of silica fume
addition", MMMS-2018 (International Conference on Material, Machines
and Methods for Sustainable Development) on "Research development in
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


vii
industrial material, machining and methods towards sustainability", pp. 642
- 650, ISBN: 978-604-95-0502-7, Bach Khoa Publishing House, Hanoi.
3. Bach Quoc Si (2018), "Quantitative study of hydration of C3S and
C2S in the Reactive Powder Concrete together with its strength
development", MMMS-2018 (International Conference on Material,
Machines and Methods for Sustainable Development) on "Research
development in industrial material, machining and methods towards
sustainability", pp. 651 - 660, ISBN: 978-604-95-0502-7, Bach Khoa
Publishing House, Hanoi.
4. Bạch Quốc Sĩ (2018), " Influence of mineral composition in cement
on shrinkage chemical of ultra high performance concrete", Vietnam
journal of constuction, pp. 116 - 121, ISBN: 0866-8762.
5.2. Training products
There is 01 support a master's degree candidate:
Nguyen Van Loi (2018), Studying on the evaluation of durability in high
strength concrete using silica in the bridge structure, Masters thesis on
construction material technology, Hanoi Transportation University.
5.3. Application products
1. Fabricated successfully concrete sample with a compressive strength
over 150 MPa.
2. Created a software of the hydration for binder paste (including cement

and silica fume).
3. Experimental results of concrete properties including compressive
strength, cumulative heat development during the reaction process of
blended cement and chemical shrinkage.
6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and
benefits of research results:
This project is a useful reference for students and lecturers at the
Universities of civil engineering; the construction consulting companies.

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Muội silic hay khói silic (tiếng Anh: silica fume), là một dạng cấu
trúc vô định hình (không phải tinh thể) của silic điôxít (ôxit silic, hay
silica). Muội silic là sản phẩm phụ của công nghiệp sản suất chế phẩm chứa
silic, thoát ra dưới dạng khói bay cực mịn. Muội silic có kích thước rất nhỏ
bé, khoảng từ 0,1 μm đến vài μm, đường kính hạt trung bình 1,5 μm.
Muội silic được dùng chủ yếu làm nguyên liệu tạo thêm tính chất
pozzolan cho bê tông cường độ cao chế tạo từ xi măng Portland. Tính chất
pozzolan chính là phản ứng của ôxit silic tác dụng với thành phần vôi tự do
(canxi hydroxit), xuất hiện sau khi phản ứng thủy hóa trong bê tông xảy ra,
để tạo ra chính thành phần đá bê tông là canxi silicat hydrat (CSH), ngăn
cản phản ứng cacbonat hóa vôi tự do tạo nên độ rỗng trong bê tông do hòa
tan muối này.
Nghiên cứu vật liệu mới, trong đó có bê tông chất lượng cao là hướng
phát triển nhằm hạ giá thành, tăng tính mỹ quan mà kết cấu vẫn đủ khả

năng khai thác. Do vậy, nghiên cứu khả năng sử dụng muội Silic trong sản
xuất bê tông cường độ cao là vấn đề có tính cấp thiết.
2. Những đóng góp khoa học của đề tài
Đề tài là công trình nghiên cứu có hệ thống, cụ thể là:
1. Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan, đề tài đã khái quát về đặc điểm về
phụ gia hoạt tính nói chung và muội silic nói riêng. Bên cạnh đó, những vấn
đề cơ bản về thủy hóa xi măng cùng có sự tham gia của muội silic cũng
được trình bày.
2. Đề tài đã xây dựng được một chương trình mô phỏng sự thủy hóa chất
kết dính bao gồm xi măng và muội silic. Qua đó, chương trình đã tính toán
được sự hình thành các pha trong quá trình thủy hóa và nhiệt thủy hóa.
3. Đề tài đã phân tích, luận giải những vấn đề liên quan giữa vi cấu trúc
và các tính chất của bê tông (cường độ nén, co ngót hóa học và nhiệt thủy
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


2
hóa) và khả năng sử dụng muội silic trong việc sản xuất bê tông cường độ
cao.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đề tài đã xây dựng được mô hình tính toán dự báo sự thủy hóa hồ kết
dính xi măng - muội silic. Từ đó làm sáng tỏ sự hình thành và phát triển các
tính chất của bê tông như: co ngót hóa học, cường độ nén, nhiệt thủy hóa.
Nghiên cứu đề tài giúp hiểu sâu sắc và có hệ thống hơn về bê tông cường
độ cao, cũng như khả năng sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường
độ cao.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể xây dựng thành chuyên đề giảng

dạy cho sinh viên chuyên ngành xây dựng, đồng thời là một tài liệu tham
khảo thiết thực cho giảng viên ngành xây dựng ở các trường Đại học và
những ai quan tâm tới vấn đề này. Dựa vào kết quả nghiên cứu của đề tài,
tác giả mong muốn đóng góp một phần vào việc giáo dục ý thức bảo vệ môi
trường, phát triển bền vững trong ngành xây dựng.

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


3
CHƯƠNG 1
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, CÁCH TIẾP CẬN VÀ
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài này là:
- Từ vật liệu trong nước, nghiên cứu chế tạo ra bê tông cường độ siêu
cao từ 150 đến 200MPa.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của muội Silic tới sự phát triển vi cấu trúc trong
cấu trúc bê tông chất lượng siêu cao.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của muội silic tới sự phát triển co ngót hóa học
của bê tông chất lượng siêu cao.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của muội silic tới sự phát triển cường độ nén
của bê tông chất lượng siêu cao.
2. Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu
2.1. Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu bê tông cường độ cao;
- Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao.
2.2. Phạm vi nghiên cứu
- Đề tài được nghiên cứu gói gọn trong loại bê tông có cường độ siêu

cao (Ultra-High Performance Concrete - UHPC).
- Loại bê tông có cường độ siêu cao được chọn để nghiên cứu là bê tông
bột hoạt tính (Reactive Powder Concretes - RPC).
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
3.1. Cách tiếp cận
Đề tài tiếp cận các vấn đề nghiên cứu từ các góc độ sau:
- Tiếp cận từ lý thuyết: từ cơ sở lý luận và tổng quan về bê tông cương
độ cao, đề tài xây dựng một một chương trình thủy hóa xi măng cùng với
muội silic. Qua đó làm cơ sở phân tích các tính chất của bê tông khi có sử
dụng muội silic.
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


4
- Tiếp cận từ thực tiễn: khảo sát, đánh giá các tính chất bê tông trên các
mẫu bê tông được chế tạo - nghiên cứu.
3.2. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu bao gồm: phương
pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thực nghiệm.

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


5
CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
2.1. Những đặc trưng của bê tông bột hoạt tính
Đặc điểm của RPC là sử dụng những cốt liệu nhỏ và có cấu trúc đặc

chắc. Sự đặc chắc của RPC có được là nhờ có sự bổ sung một số phụ gia
hoạt tính siêu mịn như là tro bay, xỉ lò cao, muội silic... Một điển hình một
thành phần của bê tông bột hoạt tính được thể hiện ở Bảng 2-1 [RICHARD
95]. Trong Bảng 2-1 này, các thành phần và tỷ lệ pha trộn hướng đến mục
tiêu là tạo ra một UHPC. Một vài cách thức để tạo ra một UHPC có thể liệt
kê như dưới đây:
- Cải thiện tính đồng nhất qua sự loại bỏ cốt liệu lớn.
- Cải thiện độ chặt của bê tông qua sự tối ưu hóa sự pha trộn các thành
phần vật liệu trong hỗn hợp bê tông nhờ vào việc tính toán trên sự phân bố
kích thước cỡ hạt của các thành phần vật liệu.
- Cải thiện tính năng của bê tông qua việc bổ sung thêm các phụ gia hoạt
tính siêu mịn.
- Cải thiện tính năng của bê tông qua việc bổ sung thêm các phụ gia siêu
dẻo nhằm giảm hàm lượng nước trong chế tạo bê tông qua đó làm giảm đi
lỗ rỗng trong bê tông.
- Cải thiện tính dẻo cơ học của bê tông qua việc bổ sung thêm các loại sợi.
Bảng 2-1: Điển hình thành phần của bê tông bột hoạt tính.
Vật liệu

Có gia cố sợi

Không gia cố sợi

Xi măng (C/C)
Muội silic (FS/C)

1
0.25

1

0.23

1
0.25

1
0.23

Cát mịn (SB/C)

1.1

1.1

1.1

1.1

Bột đá (QB/C)

-

0.39

-

0.39

Phụ gia dẻo (SP/C)

0.016

0.019

0.016

0.019

Sợi thép (FA/C)

-

-

0.175

0.175

Nước (E/C)

0.15

0.17

0.17

0.19

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao

6
2.2. Xi măng Portland
Xi măng (từ tiếng Anh: cement) là một loại chất kết dính thủy lực, được
dùng làm vật liệu xây dựng. Xi măng được tạo thành bằng cách nghiền
mịn clinker Portland, thạch cao thiên nhiên và phụ gia. Khi tiếp xúc
với nước thì xảy ra các phản ứng thủy hóa và tạo thành một dạng hồ gọi
là hồ xi măng. Tiếp đó, do sự hình thành của các sản phẩm thủy hóa, hồ xi
măng bắt đầu quá trình ninh kết sau đó là quá trình hóa cứng để cuối cùng
nhận được một dạng vật liệu có cường độ và độ ổn định nhất định gọi là đá
xi măng. Vì tính chất kết dính khi tác dụng với nước, xi măng được xếp vào
loại chất kết dính thủy lực. Các thành phần khoáng chính tạo nên một xi
măng Porland bao gồm: C 3 S , C 2 S , C 3 A , C 4 AF .
2.3. Sự thủy hóa xi măng và phát triển vi cấu trúc trong quá trình thủy
hóa
Khi trộn xi măng với nước, hỗn hợp xi măng - nước tạo nên một hồ kết
dính ở dạng tươi và lỏng. Từ dạng lỏng, hồ xi măng chuyển dần sang trạng
thái rắn và có cường độ thông qua quá trình thủy hóa các thành phần pha
khoáng trong xi măng, và người ta thường gọi là đá xi măng.
Các phương trình phản ứng hóa học trong quá trình thủy hóa xi măng
bao gồm:

C3S + 5.3H → C1.7SH4 + 1.3CH
C2S + 4.3H → C1.7SH4 + 0.3CH

C3A + 3CSH2 + 26H → C6AS3H32
C3A + 0.5C6AS3H32 + 2H → 1.5C4ASH12

C3A + CH + 12H → C4AH13

C4 AF + 2CH + 10H → C3 AH6 + C3 FH6
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


7
2.4. Muội Silic
Muội silic hay khói silic (tiếng Anh: silica fume), là một dạng cấu
trúc vô định hình (không phải tinh thể) của silic điôxít (ôxit silic, hay
silica). Muội silic là sản phẩm phụ của công nghiệp sản suất chế phẩm chứa
silic, thoát ra dưới dạng khói bay cực mịn. Muội silic có kích thước rất nhỏ
bé, khoảng từ 0,1 μm đến vài μm, đường kính hạt trung bình 1,5 μm.
Muội silic được dùng chủ yếu làm nguyên liệu tạo thêm tính chất
pozzolan cho bê tông cường độ cao chế tạo từ xi măng Portland. Tính chất
pozzolan chính là phản ứng của ôxit silic tác dụng với thành phần vôi tự do
(canxi hydroxit), xuất hiện sau khi phản ứng thủy hóa trong bê tông xảy ra,
để tạo ra chính thành phần đá bê tông là canxi silicat hydrat (CSH), ngăn
cản phản ứng cacbonat hóa vôi tự do tạo nên độ rỗng trong bê tông do hòa
tan muối này.
Phản ứng hóa học hòa tan muội silic trong hỗn hợp chất kết dính được
mô tả qua phương trình hóa học như sau:

S + 1, 7 CH + 2,3H → C1,7SH 4
Phản ứng hóa học theo phương trình

G 

được gọi là phản ứng

pouzzolanic. Trong phản ứng pouzzolanic, lượng CH được tiêu thụ chính là

sản phẩm thủy hóa các thành phần khoáng C3S và C2S qua các phản ứng
hóa học  A  và  B . Cũng qua phản ứng pouzzolanic chúng ta nhận thấy
rằng, sự có mặt của muội silic đã sản xuất thêm một lượng đáng kể CSH.
Và chính điều này, đã cải thiện đáng kể cường độ bê tông.
Ở khía cạnh khác, với kích thước hạt rất nhỏ của muội silic, các hạt
muội silic có vai trò lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt xi măng, và qua đó đã
làm cho bê tông trở nên đặc chắc hơn. Sự đặc chắc của bê tông đã làm cho
bê tông có tính bền cao hơn và cường độ cao hơn.

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


8
CHƯƠNG 3
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỬ
3.1. Vật liệu
Trong nghiên cứu này, vật liệu dùng để chế tạo mẫu bê tông nghiên cứu
bao gồm: xi măng, muội silic, phụ gia dẻo, cát mịn, bột đá.
3.2. Lựa chọn cầp phối nghiên cứu
Các cấp phối được lựa chọn nghiên cứu được có đặc trưng như ở Bảng 3-1.
Bảng 3-1: Các đặc trưng của các cấp phối.
Cấp phối

EC

SP C

QB C

FS C

SC

B0

0,11

0,018

0,05

0,00

1,10

B1

0,11

0,018

0,05

0,05

1,10

B2

0,11

0,018

0,05

0,10

1,10

B3

0,11

0,018

0,05

0,15

1,10

B4

0,11

0,018

0,05

0,20

1,10

B5

0,11

0,018

0,05

0,25

1,10

B6

0,11

0,018

0,05

0,30

1,10

3.3. Phương pháp thử
Những phương pháp thử được tiến hành trong nghiên cứu này bao gồm:

đo nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình thủy hóa bằng nhiệt lượng kế, đo co
ngót hóa học bằng trọng lượng kế, đo cường độ nén của bê tông.

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


9
CHƯƠNG 4
MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO Q TRÌNH THỦY HĨA XI MĂNG

a
y hó
c độthủ
Tố
ng : d(t)/dt , [ 1/h ]
xi mă

4.1. Mơ hình động học cho q trình thủy hóa mỗi thành phần khống
trong xi măng
Sự thủy hóa xi măng là kết quả của một chuỗi phản ứng hóa học của các
thành phần khống trong xi măng khi hòa tan trong nước. Các phản ứng hóa
học diễn ra với tốc độ khác nhau theo thời gian và ngang qua nhiều giai
đoạn. Mơ tả các giai đoạn này được thể hiện ở Hình 4-1.

Thờ
i gian, [ hrs ]

t1

t0
Giai đoạn 1

t2
Giai đoạn 2

t3
Giai đoạn 3

t4
Giai đoạn 4

t

t5
Giai đoạn 5

Giai đoạn 6

Hình 4-1: Sơ đồ mơ tả các giai đoạn của q trình thủy hóa một thành
phần pha khống xi măng.
Như chúng ta đã biết, những phản ứng hóa học trong q trình thủy hóa
xi măng là q trình tỏa tỏa nhiệt. Theo H.F TAYLOR [TAYLOR 97],
nhiệt lượng tỏa ra trong các phản ứng hóa học là do sự chuyển đổi trạng thái
vật chất từ năng lượng cao thành năng lượng thấp. Do vậy, nhiệt lượng tỏa
ra trong q trình thủy hóa hệ thống chất kết dính sẽ bẳng tổng nhiệt lượng
tỏa ra qua các phản ứng hóa học qua các phương trình  A  ;  B ; C ;

 D ; E ;  F .
Với lập luận như trên, nhiệt lượng tỏa ra trong suốt q trình thủy hóa từ

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tơng cường độ cao


10
của các pha thứ i và toàn bộ hệ thống chất kết dính được mô tả qua các
phương trình động học. Trong các phương trình này, các tham số của quá
trình thủy hóa được đưa và nhằm mô tả đúng với bản chất của đặc trưng hệ
thông xi măng - muội silic. Kết quả mô phỏng được đem so sánh với kết
quả thực nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy của mô hình.
4.2. Mô hình động học cho quá trình thủy hóa của hỗn hợp xi măng và
muội silic
Nếu trong hỗn hợp chất kết dính có chứa muội silic thì bậc phản ứng của
hỗn hợp chất kết dính được tính như sau:

ξ ( t )L = PC .ξ ( t )C + PFS .ξ ( t )S
(4-1)
Trong đó:

ξ ( t )S :bậc phản ứng của muội silic ở thời điểm t.
ξ ( t ) L :bậc phản ứng của hỗn hợp chất kết dính ở thời điểm t.

−
−

phần trăm khối lượng xi măng trong hỗn hợp chất kết
−
dính (xi măng và muội silic)
phần trăm khối lượng muội silic trong hỗn hợp chất kết
:

−
dính (xi măng và muội silic)

PC

:

PFS

Trong Công thức (4-1), giá trị ξ ( t )S được xác định như sau:

ξ ( t )S = M ( t )

S

M (t0 )

S

(4-2)
Trong đó:

M (t )

S

:

khối lượng SiO2 (trong muội silic) đã hòa tan theo
phương trình [G] ở thời điểm t.

M ( t 0 ) : Quantité initiale totale du SiO2 de la FS.
S

kg 
kg 

Và cuối cùng, tốc độ thủy hóa xi măng và của hỗn hợp xi măng - muội
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


11
silic được xác định qua các Công thức (4-3) và Công thức (4-4) như sau:

(

d ( t )C dt =   r ( t 0 )i/C .A  ( t )i

i
masse

)

i 


(4-3)

d ( t )L dt = PC . d ( t )C dt  + PFS . d ( t )S dt 

(4-4)
4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa
Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa là những tác động đến
trạng thái của quá trình thủy hóa động học. Những tác động này được thể
BL
FS
T
hiện qua các hệ số bao gồm: k Ei ; k SP
i ; ki ; ki ; ki

kiSP : hệ số ảnh hưởng của phụ gia dẻo đến  (t )i , không thứ nguyên.
k iT : hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ đến  (t )i , không thứ nguyên.
kiBL : hệ số ảnh hưởng của độ mịn xi măng đến  (t )i , không thứ nguyên.
kiSF : hệ số ảnh hưởng của muội silic đến  (t )i , không thứ nguyên.
k iW : hệ số ảnh hưởng của hàm lượng nước đến  (t )i , không thứ
nguyên.
4.4. Mô hình sự phát triển nhiệt và tốc độ phát triển nhiệt của quá
trình thủy hóa
Nhiệt lượng tỏa ra trong suốt quá trình thủy hóa từ của các pha thứ i và
toàn bộ hệ thống chất kết dính được mô tả qua các phương trình sau:

Q ( t ) i = ξ ( t ) i . Q com
i
Q ( t )S = ξ ( t )S . Q com
S

Q ( t )C =  r ( t 0 )i/C .Q ( t )i
masse

i

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


12

dQ ( t )C dt =  r ( t 0 )i/C .dQ ( t )i dt
masse

i

Q ( t )L = Q ( t )C + Q ( t )S

dQ ( t )L
dt


dξ ( t ) i
masse
= PC .   r ( t 0 ) i/C .Q com
.
i
dt
 i



dξ ( t )S 
masse


 + PFS .  r ( t 0 )S/FS .Q Scom .
dt 




(4-10)
Trong đó:
:

lượng nhiệt phát ra do thủy hóa của riêng xi
măng ở thời điểm t.

 J gr 

dQ ( t )C dt :

tốc độ phát triển nhiệt trong quá trình thủy hóa
của riêng xi măng ở thời điểm t.

J

Q ( t )C

lượng nhiệt phát ra do thủy hóa của hỗn hợp xi măng
- muội silic ở thời điểm t.
lượng nhiệt phát ra do sự hòa tan của riêng muội
:
silic (qua các phản ứng puzzolanic) ở thời điểm t.

gr.hrs

Q ( t )L :

 J gr 

Q ( t )S

 J gr 

dQ ( t )L tốc độ phát triển nhiệt trong quá trình thủy hóa của
dt

:

J

gr.hrs

hỗn hợp xi măng - muội silic ở thời điểm t.

4.5. Mô hình phát triển thể tích các pha trong hồ kết dính trong suốt
quá trình thủy hóa
Bên cạnh mô phỏng về nhiệt thủy hóa và tốc độ thủy hóa, mô hình phát
triển thể tích các pha trong hồ kết dính trong suốt quá trình thủy hóa cũng
được xây dựng. Các pha trong hỗn hợp bê tông bao gồm: thể tích của pha
đặc, thể tích của các lỗ rỗng, thể tích của các pha dạng nước. Các pha này
được thể hiện ở Hình 4-2.
4.6. Các tham số động học của quá trình thủy hóa hỗn hợp chất kết

dính
Trong nghiên cứu này, các tham số động học của quá trình thủy hóa xi
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao


13
măng được đưa vào chương trình tính như sau:

( t 0  t  t1 ) , có các tham số: t , dξ ( t1 ) dt .
- Ở giai đoạn 2 ( t 1  t  t 2 ) , có các tham số: t , dξ ( t 2 ) dt
- Ở giai đoạn 3 ( t 2  t  t 3 ) , có tham số: t 3 .
- Ở giai đoạn 4 ( t 3  t  t 4 ) , có các tham số: K
, K
.
- Ở giai đoạn 5 ( t 4  t  t 5 ) , có tham số: ξ ( t 5 ) .
- Ở giai đoạn 6 ( t 5  t ) , có tham số : K .
- Ở giai đoạn 1

1

2

ordre
i

vitesse
i

Dif

i

Trong đó:

hrs

t0

: thời điểm ban đầu của quá trình thủy hóa.

t1

: thời điểm cuối của giai đoạn 1.

t2

: thời điểm cuối của giai đoạn 2.

hrs
hrs

t3

: thời điểm cuối của giai đoạn 3.

hrs

t4

: thời điểm cuối của giai đoạn 4.

hrs

t5

: thời điểm cuối của giai đoạn 5.

ξ ( t1 )

: bậc hydrat của pha i ở tại thời điểm t 1 .

ξ (t2 )

: bậc hydrat của pha i ở tại thời điểm. t 2 .

ξ (t3 )

: bậc hydrat của pha i ở tại thời điểm t 3 .

hrs
 −
 −
 −

ξ (t4 )

: bậc hydrat của pha i ở tại thời điểm t 4 .

 −

ξ ( t5 )

: bậc hydrat của pha i ở tại thời điểm t 5 .

 −
1/ hrs

dξ ( t1 ) dt1 : tốc độ phản ứng hydrat của pha i ở thời điểm t 1 .

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ - Mã số: B2016-DNA-30-TT
Nghiên cứu sử dụng muội silic trong sản xuất bê tông cường độ cao